用Numpy搭建神经网络第二期：梯度下降法的实现

这一期，为大家带来梯度下降相关的知识点，和上一期一样，依然用Numpy实现梯度下降。在代码开始之前，先来普及一下梯度下降的知识点吧。

梯度下降：迭代求解模型参数值

第一期文章中提到过，最简单的神经网络包含三个要素，输入层，隐藏层以及输出层。关于其工作机理其完全可以类比成一个元函数：Y=W*X+b。即输入数据X，得到输出Y。

如何评估一个函数的好坏，专业一点就是拟合度怎么样?最简单的方法是衡量真实值和输出值之间的差距，两者的差距约小代表函数的表达能力越强。

这个差距的衡量也叫损失函数。显然，损失函数取值越小，原函数表达能力越强。

那么参数取何值时函数有最小值?一般求导能够得到局部最小值(在极值点处取)。而梯度下降就是求函数有最小值的参数的一种方法。

梯度下降数学表达式

比如对于线性回归，假设函数表示为hθ(x1，x2…xn)=θ0+θ1x1+..+θnxn，其中wi(i=0，1，2...n)为模型参数，xi(i=0，1，2...n)为每个样本的n个特征值。这个表示可以简化，我们增加一个特征x0=1，这样h(xo，x1，.…xn)=θ0x0+θ1x1+..+θnxn。同样是线性回归，对应于上面的假设函数，损失函数为(此处在损失函数之前加上1/2m，主要是为了修正SSE让计算公式结果更加美观，实际上损失函数取MSE或SSE均可，二者对于一个给定样本而言只相差一个固定数值)：

 

 

算法相关参数初始化：主要是初始化θ0，θ1..，θn，我们比较倾向于将所有的初始化为0，将步长初始化为1。在调优的时候再进行优化。

对θi的梯度表达公式如下:

 

 

用步长(学习率)乘以损失函数的梯度，得到当前位置下降的距离，即：

 

 

梯度下降法的矩阵方式描述

对应上面的线性函数，其矩阵表达式为:

 

 

损失函数表达式为：

 

 

其中Y为样本的输出向量。

梯度表达公式为：

 

 

还是用线性回归的例子来描述具体的算法过程。损失函数对于向量的偏导数计算如下：

 

 

迭代：

 

 

两个矩阵求导公式为：

 

 

用Python实现梯度下降

 

 

导入两个必要的包。

 

 

定义标准化函数，不让过大或者过小的数值影响求解。

定义梯度下降函数：

 

 

其中，dataset代表输入的数据，alpha是学习率，maxcycles是最大的迭代次数。

即返回的权重就是说求值。np.zeros 是初始化函数。grad的求取是根据梯度下降的矩阵求解公式。

本文参考B站博主菊安酱的机器学习。感兴趣的同学可以打开链接观看视频哟~

https://www.bilibili.com/video/av35390140

好了，梯度下降这个小知识点就讲解完了，下一期，我们将第一期与第二期的知识点结合，用手写数字的数据完成一次神经网络的训练。

作者：蒋宝尚

时间:2019-06-05 23:35  来源:    转发量:次